典型干擾環境中的大地電場優勢方位角應用探討

辛建村,齊銀峰,楊婉婷,顏文華,馮紅武

(陜西省地震局, 陜西 西安 710068)

0 引言

地電場是重要的地球物理場,也是進行地震監測預報的重要手段之一。近年來伴隨著城鎮化快速發展,其觀測環境受到的各種干擾也日益增多,較常見的有城市軌道交通、高壓直流輸電線路、廠礦企業等,此外還有磁暴引起的地電暴干擾、同場地地電阻率觀測人工供電干擾等。這些干擾源都或多或少的影響了大多數地電場的日常觀測,同時也對以往的數據分析處理方法[1-13]帶來了新的考驗。

地電場觀測數據包含了大地電場、自然電場和干擾成分[14]。在多種典型干擾中,地電場觀測數據波形表現復雜且變化無規則,應用常規方法一般可識別干擾,而對觀測資料的應用、地震異常信息的提取識別等仍有很大困難。根據大地電場巖體裂隙模型[15-16],大地電場峰谷型日變波形來源于固體潮汐和空間Sq電流變化,在固體潮汐作用下,巖石裂隙水以日為周期往返滲流,或在Sq電流電磁感應下,裂隙水中電荷以日為周期沿裂隙往返移動,由此形成大地電場日變波形[4]。基于FFT諧波分析方法,對每日觀測數據進行處理,按周期大小排列,前10階諧波周期分別為24 h、12 h、8 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h、2.4 h,這些諧波稱為潮汐諧波[4,17]。前5階諧波振幅遠大于其他高階諧波,其振幅和基本構成了日變波形主體,前10階諧波振幅和可表示日變波幅度大小[16]。應用地電場兩個測向觀測數據前10階諧波振幅和計算場地大地電場優勢方位角α,因其計算方法及取值特點,理論上α受干擾影響可能小。作者曾以平涼臺為例,模擬一些典型干擾加載到觀測數據中,結果表明α在一定條件下受干擾影響確實較小[18]。

目前,實際觀測場地周邊出現高壓直流輸電、地電暴、地電阻率觀測人工供電、城市軌道交通等干擾日益嚴重,探索大地電場優勢方位角α方法在這些情況下的應用可能存在必要性。本文選取陵陽等13個觀測系統較好、日變波形清晰的典型地電場臺站,分析了多種典型干擾下這些場地α變化特點。同時,通過2018年9月陜西寧強MS5.3震例分析,表明復雜電磁環境下獲取α強震前兆異常信息仍存在可能。

1 典型干擾對優勢方位角的影響

基于大地電場巖體裂隙水(電荷)滲流(移動)模型,在NS向、NW向地電場數據相關性高時,大地電場優勢方位角(即裂隙優勢方位角,α代表北偏東角度,若為負表示北偏西角度)計算公式如下[19]:

(1)

式中:Ai是第i階潮汐諧波振幅,計算中應用周期分別為24 h、12 h、8 h、6 h、4.8 h、4 h、3.4 h、3 h、2.7 h、2.4 h的諧波振幅和。需指出,當應用其他方位組合計算時,式(1)需做相應調整。

1.1 高壓直流輸電干擾和地電暴干擾

在高壓直流輸電中,供電正常時電流基本上都從兩條架空線路經過,一旦出現故障后,會出現很大的不平衡電流,要通過接地極的入地電流來達到平衡,這會對線路兩側臺站的地磁觀測和電場觀測造成干擾,這種干擾稱之為高壓直流干擾。一般說來,不平衡電流對電場影響較大,對磁場影響主要表現在垂直分量Z上,而對水平分量H和磁偏角D干擾較小,甚至沒有干擾[20]。

1.1.1 郯廬斷裂帶南段附近地電場臺站

圖1(a)是郯廬斷裂帶南段附近高壓直流輸電錫泰線及周邊地電場臺分布圖。圖1(b)是2018年4月陵陽臺NS向地電場波形,其日變波形表現出清晰的峰谷形態,屬于典型的TGF-A潮汐波[4]。陵陽臺在4月1、3、4、5、25日分別受到錫泰線高壓直流故障干擾,受干擾期間出現方波型突跳。圖1(c)是同時間段陵陽地磁臺水平分量H曲線,可看出高壓直流干擾期間,只有5日的錫泰線故障干擾對H有較明顯影響。10日和20日地磁場H分量出現了擾動,同時段觀測到的K指數分別達到了4和5[圖1(d)],地電場波形出現了明顯的高頻突跳。圖1(e)是基于大地電場巖體裂隙水(電荷)滲流(移動)模型,應用公式(1)計算的陵陽臺大地電場優勢方位角α曲線。方位角α的變化量Δα≤10°,其巖體裂隙可能處于發育較好階段[19],可看出高壓直流輸電故障干擾和地電暴干擾對方位角α計算基本沒有影響。

圖1 陵陽臺波形及方位角(2018年4月)Fig.1 The waveforms and azimuth of Lingyang station (April,2018)

在郯廬斷裂帶南段周邊,江蘇高郵和海安、安徽嘉山等臺在2018年4月同樣受到高壓直流輸電干擾。其中,在4月1、3、4、5、25日受到錫泰線高壓直流故障干擾;13、26日受到錦蘇線高壓直流輸電故障干擾;17日受到溪浙線高壓直流輸電故障干擾。圖2是這3個臺地電場波形及優勢方位角α變化曲線。

圖2(a),(c),(e)中,上述幾次高壓直流干擾都導致地電場E波形出現了方波型突跳,持續時間在幾十分鐘到數小時左右。無論4月10、20日地磁場相對劇烈的擾動、還是1、3、4、5、13、17、25、26日幾條直流輸電線干擾,高郵、海安、嘉山臺的大地電場優勢方位角α均沒有對應的劇烈變化,都處于各臺優勢方位角正常的變化范圍內[圖2(b),(d),(f)]。

1.1.2 西北和華北地區地電場臺站

一種與1.1.1節類似的地電場波形,其近正弦波形僅在午前午后(6:00—18:00)出現,其他時間段數據曲線平穩,出現這種波形的場地大多數位于巖石含水度高、透水性強、覆蓋層厚的區域[4],根據以往的研究西北和華北地區更易出現這種波形。

高壓直流輸電哈鄭線及其周邊地電場臺站分布如圖3所示。圖4(a)～(d)是西北地區的瓜州、銀川臺在2018年4月的地電場波形及方位角,其中7、18、19日哈鄭線高壓直流故障干擾對瓜州臺干擾較大,銀川臺距離哈鄭線相對較遠,受干擾小,可看出高壓直流故障干擾對方位角計算影響不明顯。

需說明21日瓜州臺觀測區農機作業、19日銀川臺安裝調試空調對方位角計算有影響。

華北地區應城、大柏舍臺的地電場波形及方位角如圖4(e)～(h)所示。應城臺2018年6月13、16日受三常線高壓直流故障干擾,21、22、30日受葛上線高壓直流故障干擾,18日受到最大K指數為5的地電暴干擾,可看出高壓直流輸電故障和地電暴對方位角α影響不明顯(29日標定儀器,17:17—18:08缺數,故這一天的方位角未計算)。

圖2 高郵、海安、嘉山地電場波形及方位角(2018年4月)Fig.2 Waveform and azimuth of Gaoyou, Hai'an, and Jiashan geoelectric fields (April,2018)

圖3 哈鄭線周邊地電場臺站分布圖Fig.3 Distribution map of geoelectric field stations around Hami-Zhengzhou Line

大柏舍臺2019年4月23、24日受哈鄭線高壓直流故障干擾,28、29日受晉南線高壓直流故障干擾,可看出高壓直流故障干擾對方位角計算基本沒有影響。需說明本月最大K指數為4。

1.2 地電阻率觀測人工供電干擾

蒙城臺2018年4月5—15日地電場波形及方位角如圖5(a),(b)所示,5、7日分別受錫泰線、哈鄭線高壓直流輸電故障干擾,10日22:30儀器時鐘錯誤,重啟后數據丟失,故缺數。11日、12日發生地電阻率觀測人工供電干擾,導致每隔1小時出現5分鐘左右直流脈沖,壓制了正常波形變化曲線。可看出地電阻率觀測人工供電干擾對場地方位角α計算基本沒有影響,高壓直流輸電干擾和地電暴干擾也基本沒有影響。

乾陵臺9月3日4:00—12:00地電場儀器主機出現時鐘錯亂,引起地電阻率觀測人工供電干擾,導致觀測數據每隔1小時有數分鐘較大幅度突跳,校對儀器時鐘后,數據恢復正常[圖5(c)]。9月3日出現的地電阻率觀測人工供電干擾對方位角α沒有明顯影響[圖5(d)]。需說明,9月2日計算的α方位角出現30°左右的變幅,可能和EW向和N45°W測向出現的方波型突跳有關的,目前對該突跳的原因尚不明確,這里不進行分析。

1.3 城市軌道交通干擾

2019年6月23日,蘭州軌道交通1號線正式開通試運營。蘭州地電場臺距離1號線約5 km,地鐵開通前(2019-01-17—26)、開通后(2019-06-19—28)地電場曲線如圖6(a),(b)所示,地鐵正式運營后,每日6:00—23:00對地電場觀測產生日復一日的干擾,嚴重影響了地電場觀測質量。開通前方位角變化范圍10°≤α≤36°,開通后方位角變化范圍17°≤α≤35°,這說明地鐵干擾對蘭州臺方位角α的突跳范圍影響不明顯[圖6(c)]。

圖4 西北和華北典型臺站地電場及方位角Fig.4 Geoelectric fields and azimuths of typical stations in Northwest and North China

圖5 蒙城和乾陵臺日變波形及方位角Fig.5 Diurnal waveform and azimuth of Mengcheng and Qianling stations

圖6 蘭州、成都臺地鐵干擾Fig.6 Metro interference in Lanzhou and Chengdu stations

2013年6月開始運行的地鐵2號線距離成都臺約26 km,對該臺地電場觀測造成了很大干擾,使得地電場數據每日6:00—23:30時段出現高頻脈沖現象。圖6(d),(e)是地鐵2號線開通前(2012-01-05—14)、開通后(2014-01-21—30)成都臺觀測曲線,開通前方位角Δα≤20°,開通后Δα也在此變化范圍[圖6(f)],這說明地鐵干擾對成都臺方位角α突跳范圍影響不明顯。

2 非常規干擾對優勢方位角的影響

寶德線高壓直流輸電線路及周邊臺站分布如圖7(a)所示,鳳翔地電場臺距離寶德線高壓直流輸電線路約111 km,2019年4月30日—5月8日寶德線高壓直流輸電線路連續多日調試,調試期間鳳翔臺地電場波形出現了方波型突跳[圖7(b)],其干擾幅度達到原始波形5倍以上。圖 7(d)是該臺2019年1—6月大地電場方位角α,可看出受此干擾影響明顯。乾陵臺距離寶德線約90 km,圖7(c)是乾陵臺地電場波形,其干擾幅度不到原始波形的1倍,方位角α受此干擾影響不明顯[圖7(e)]。

可見,2019年4月30日—5月8日寶德線高壓直流輸電線路連續多日調試,使鳳翔、乾陵場地的地電場分別受到了不同程度的干擾。其中,鳳翔臺地電場受干擾嚴重,大地電場方位角α計算結果受影響大;乾陵臺地電場受干擾相對小,大地電場方位角α計算結果受影響小。

3 復雜環境中大地電場方位角的應用

2018年9月12日陜西寧強發生MS5.3地震,圖8計算了2017年—2018年9月15日距離震中約160 km的江油臺、281 km的周至臺、87 km的漢王臺大地電場優勢方位角。其中,漢王、周至環境或裝置復雜,測區周圍存在一定干擾,但這三個臺站方位角α震前3個月仍有較明顯的準同步異常,這表明復雜環境中計算方位角α對開展地電場短臨預測研究可能有應用價值。

圖7 寶德線對鳳翔和乾陵臺的影響Fig.7 The impact of Baoji-Deyang Line on Fengxiang and Qianling stations

圖8 江油、漢王、周至臺方位角α(2017-01-01—2018-09-15)Fig.8 Azimuths α of Jiangyou,Hanwang, and Zhouzhi stations (2017-01-01—2018-09-15)

4 結論與討論

高壓直流輸電故障、地電暴、地電阻率觀測人工供電、地鐵等可能會給地電場觀測帶來嚴重干擾,這對觀測資料的應用、地震異常信息的提取識別等造成了困難。地電場優勢方位角方法中,一是采取了抽取特定信號分析,這些信號基本是 FFT前10 階頻率固定的諧波;二是計算方位角過程中應用了兩個方位諧波振幅和的比值,這兩個步驟明顯降低了環境干擾對優勢方位角計算結果的影響[19]?；诖蟮仉妶鰩r體裂隙水(電荷)滲流(移動)模型,本文分析了陵陽、瓜州等13個地電場臺在這些干擾中場地優勢方位角的變化情況,初步得到以下結論:

(1) 高壓直流輸電故障、地電暴、地電阻率觀測人工供電、地鐵等是地電場觀測中常見的典型干擾,在這些干擾不特別嚴重時,其對實際觀測中大地電場優勢方位角計算的影響不明顯。

(2) 高壓直流輸電故障對線路附近臺站地電場觀測的影響日益嚴重,當這種干擾持續時間長、強度大時,可能對大地電場優勢方位角計算帶來較明顯影響。

通過對2018年9月陜西寧強MS5.3震例分析,表明在復雜的電磁環境中,大地電場優勢方位角仍可能在中強地震前表現出較明顯異常。地電場觀測易受周圍或局部電磁環境影響,對數據應用帶來了很大困擾,優勢方位角計算受這些干擾影響相對較小,對地電場數據應用可能有一定參考意義,但其在地震預測中的應用尚需要更多研究。

致謝:江蘇、安徽、寧夏、湖北、河北、四川、陜西、甘肅等省地震局為本項研究提供了地電場數據,作者在此表示衷心的感謝。